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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Linearisierung einer Laserkennlinie eines Lidar-Sensors und einen solchen Lidar-Sensor.
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Aus dem Stand der Technik sind kohärente Lidar-Sensoren bekannt, bei welchen Nichtlinearitäten einer Kennlinie eines Lasers dieser Lidar-Sensoren dadurch kompensiert werden, dass zusätzliche Strukturen auf einen den Laser umfassenden Photonik-Chip aufgebracht werden, durch welche sich vorhandene Nichtlinearitäten der Laserkennlinie charakterisieren und dementsprechend zumindest anteilig kompensieren lassen. Diese Strukturen werden beispielsweise direkt oder separat auf den Photonik-Chip aufgebracht.
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Bei diesen Strukturen handelt es sich üblicherweise um optische Verzögerungsleitungen, welche einen Teil eines modulierten (bspw. mittels einer Frequenzrampe) Sendesignals des Lasers um eine vordefinierte Zeitdauer verzögern und innerhalb der Lidar-Sensoren zu einem Empfänger der Lidar-Sensoren führen.
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Auf Basis einer Überlagerung des Sendesignals mit einem solchermaßen verzögerten Sendesignal ergeben sich Differenzfrequenzen (Schwebungsfrequenzen), auf deren Basis Nichtlinearitäten der Laserkennlinie identifiziert werden können.
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Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Fahrzeuge bekannt, welche vorstehend genannte Lidar-Sensoren für eine Umfelderfassung einsetzen, um beispielsweise einen (teil-) automatisierten Fahrbetrieb und/oder Fahrerassistenzfunktionen für die Fahrzeuge bereitzustellen.
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DE102018116961A1 offenbart einen optischen Frequenzmodulations-Linearisierungsalgorithmus für eine Laserdiode eines Lidar-Systems, wobei mittels eines Kombinators ein Empfangssignal mit einem LO-Signal kombiniert wird und ein Ergebnis in ein erstes kombiniertes Signal und ein zweites kombiniertes Signal aufgeteilt wird. Mittels eines ersten Photodetektors wird das erste kombinierte Signal empfangen und ein erstes elektrisches Signal ausgegeben, das auf Störungen des Empfangssignals und des LO-Signals im ersten kombinierten Signal basiert und mittels eines zweiten Photodetektors wird das zweite kombinierte Signal empfangen und ein zweites elektrisches Signal anhand einer Interferenz des Empfangssignals und des LO-Signals in dem zweiten kombinierten Signal ausgegeben, wobei ein aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal erhaltenes Beat-Signal eine für die Linearisierung erforderliche Vorverzerrung anzeigt.
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DE112019005104T5 betrifft eine Konstruktion und eine Steuerung von photonischen Mikroresonatorfrequenzkämmen mit ultrageringem Rauschen und ihre Anwendungen, wobei in einer Ausführungsform ein FMCW-LIDAR-System vorgeschlagen wird, bei welchem ein Referenzinterferometer eingerichtet ist, eine Frequenzänderung pro Einheitszeit einer frequenzmodulierten CW-Laserquelle über eine Rückkopplungsschleife zu linearisieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Linearisierung einer Laserkennlinie eines Lidar-Sensors und insbesondere eines Lidar-Sensors eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei ein solches Fahrzeug beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug ist. Dies schließt explizit nicht aus, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch für Lidar-Sensoren für industrielle Anlagen oder für hiervon abweichende Lidar-Sensoren vorteilhaft einsetzbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise mittels einer als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestalteten Auswerteeinheit ausgeführt, welche beispielsweise ein Bestandteil des Lidar-Sensors und/oder eine eigenständige Komponente ist.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste Information repräsentierend Ergebnisse einer Vielzahl von Entfernungsmessungen eines Objektes im Umfeld des Lidar-Sensors bezüglich des Lidar-Sensors ermittelt, wobei die erste Information auf Basis eines frequenzmodulierten optischen Signals (vorzugsweise auf Basis von Frequenzrampen) ermittelt wird, welches durch einen kohärenten Laser des Lidar-Sensors erzeugt wird. Kohärente Laser ermöglicht besonders robuste und genaue Messungen, da diese insbesondere unempfindlich gegenüber einem Hintergrundlicht bzw. einem Störlicht sind und somit eine entsprechend hohe Messqualität bereitstellen.
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Das Ermitteln der ersten Information erfolgt, indem ein erster Teil des optischen Signals in das Umfeld ausgesendet wird und ein zweiter Teil des optischen Signals mit Anteilen des optischen Signals im Lidar-Sensor gemischt wird, welche durch das Objekt zum Lidar-Sensor reflektiert werden. Hierbei wird der zweite Teil des optischen Signals innerhalb des Lidar-Sensors auf eine Empfangseinheit des Lidar-Sensors geleitet. Vorteilhaft umfasst die erste Information wenigstens zwei und bevorzugt mehr als zwei Messwerte, welche jeweils eine Entfernung des Objektes bezüglich des Lidar-Sensors repräsentieren und welche jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb des Verlaufs (d. h., der Dauer) des optischen Signals durch den Lidar-Sensor gemessen wurden.
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Besonders vorteilhaft erfolgt die Messung der Entfernung in vordefinierten zeitlichen Abständen (z. B. mittels einer Abtastung analoger Messsignale einer Empfangseinheit durch einen A/D-Wandler des Lidar-Sensors) im Wesentlichen über den gesamten zeitlichen Verlauf des optischen Signals, sodass der im Wesentlichen gesamte durch die Modulation verwendete Frequenzbereich berücksichtigt wird. Die jeweiligen Entfernungen werden vorzugsweise, wie aus dem Stand der Technik bekannt, auf Basis einer Frequenzdifferenz (auch „Beat“-Signal genannt) zwischen dem ersten Teil des optischen Signals und dem zweiten Teil des optischen Signals ermittelt.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zweite Information repräsentierend eine Entfernung des Objektes bezüglich des Lidar-Sensors ermittelt, wobei die zweite Information unabhängig von dem Lidar-Sensor ermittelt wird. Das unabhängige Ermitteln der Entfernung des Objektes erfolgt beispielsweise mittels eines vom Lidar-Sensor abweichenden Sensors, welcher vorzugsweise ein ähnliches Sichtfeld wie der Lidar-Sensor aufweist, sodass auf Basis des Lidar-Sensors erfasste Objekte im Umfeld des Lidar-Sensors auf ähnliche Weise mittels des vom Lidar-Sensor abweichenden Sensors erfasst werden können. Möglichkeiten zum Identifizieren desselben Objektes in jeweiligen Messungen des Umfeldes durch den Lidar-Sensor und durch den vom Lidar-Sensor abweichenden Sensor, werden weiter unten im Zuge der Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die zweite Information ebenfalls eine Vielzahl zeitlich aufeinanderfolgender Entfernungswerte aufweisen kann, welche jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten über den zeitlichen Verlauf des Sendesignals in vordefinierten zeitlichen Abständen bezüglich des Objektes ermittelt wurden. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine Einzelmessung durch den vom Lidar-Sensor abweichenden Sensor keine ausreichend hohe Zuverlässigkeit bietet und/oder wenn sich das Objekt in Bewegung befindet und sich eine Entfernung und/oder eine Bewegungsrichtung und/oder eine Geschwindigkeit des Objektes über die Dauer des optischen Signals des Lidar-Sensors verändert. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass in einem nachfolgenden Abgleich der ersten Information und der zweiten Information jeweils korrespondierende Randbedingungen über den Verlauf der ersten Information und der zweiten Information zueinander vorliegen.
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In Abhängigkeit einer Sensorart und/oder einer Genauigkeit des Sensors usw. ist es auch möglich, dass die zweite Information nur ein oder nur wenige Entfernungsmesswerte bezüglich des Objektes enthält, insbesondere dann, wenn die Entfernung des Objektes mittels des eingesetzten Sensors bereits auf Basis einer oder auf Basis weniger Messungen mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit möglich ist. Ferner ist es möglich, dass die zweite Information Entfernungsmesswerte repräsentiert, welche hinsichtlich einer Anzahl und/oder hinsichtlich jeweiliger Messzeitpunkte ähnlich oder identisch zu den Entfernungsmesswerten der ersten Information sind.
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Im Falle von Abweichungen hinsichtlich einer Anzahl von in der ersten Information enthaltenen Entfernungsmesswerten (Abtastwerten) und in der zweiten Information enthaltenen Entfernungsmesswerte (Abtastwerten) ist es vorteilhaft möglich, die Entfernungsmesswerte der ersten Information und/oder der zweiten Information in geeigneter Weise zu interpolieren und/oder zu extrapolieren, um eine bessere Vergleichbarkeit zwischen der ersten und zweiten Information herzustellen.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgenmäßen Verfahrens werden Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information über den zeitlichen Verlauf des optischen Signals ermittelt. Solche Abweichungen ergeben sich insbesondere aufgrund einer Nichtlinearität der Laserkennlinie des Lasers des Lidar-Sensors, da sich durch die Nichtlinearität Schwankungen der durch die erste Information repräsentierten Entfernungen über den zeitlichen Verlauf der Entfernungsmesswerte ergeben. Mit anderen Worten, führen vorhandene Nichtlinearitäten der Laserkennlinie dazu, dass im zeitlichen Verlauf des optischen Signals mehrfach ermittelte Frequenzdifferenzen zwischen dem ersten Teil des optischen Signals und dem zweiten Teil des optischen Signals selbst dann nicht über die Zeit konstant bleibt, wenn eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Lidar-Sensor und dem betrachteten Objekt einem Wert von Null entspricht.
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Entsprechend vorteilhaft ist es daher, wenn die durch die zweite Information repräsentierten Entfernungsmesswerte nicht von solchen Schwankungen bei der Entfernungsmessung betroffen sind, um bei einem Abgleich mit den durch die erste Information repräsentierten Entfernungsmesswerten ein möglichst genaues Ermitteln der Schwankungen der durch die erste Information repräsentierten Entfernungen zu ermöglichen.
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In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Korrekturwerte ermittelt, welche zur Kompensation der ermittelten Abweichungen geeignet sind. Die ermittelten Korrekturwerte werden beispielsweise in einer mit der Auswerteeinheit informationstechnisch verbundenen Speichereinheit für eine nachfolgende Verwendung (ggf. persistent) gespeichert. Da das der Messung zugrundeliegende optische Signal des Lidar-Sensors wie beschrieben ein frequenzmoduliertes optisches Signal ist, werden die Korrekturwerte vorteilhaft im Wesentlichen über den gesamten Frequenzbereich ermittelt, welcher durch das frequenzmodulierte optische Signal verwendet wird. Dies lässt sich z. B. durch ein Ermitteln einer Vielzahl von Korrekturwerten umsetzen, welche jeweils mit bestimmten Frequenzen des frequenzmodulierten optischen Signals korrespondieren. Besonders vorteilhaft lässt sich zudem eine Funktion ermittelten, welche die Korrekturwerte über den für die Modulation verwendeten Frequenzbereich repräsentiert (ggf. in angenäherter Form), sodass zu beliebigen Frequenzen auf einfache Weise ein jeweils korrespondierender Korrekturwert ableitbar ist.
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In einem fünften Schritt des erfindungsgenmäßen Verfahrens wird die Laserkennlinie des Lidar-Sensors linearisiert, indem die Korrekturwerte zur Anpassung des optischen Signals verwendet werden.
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Es sei allgemein darauf hingewiesen, dass sich die Linearisierung beispielsweise einmalig, bevorzugt im Zuge einer Herstellung des Lidar-Sensors, oder wiederholt durchführen lässt (z. B. bei jedem Systemstart des Lidar-Sensors und/oder in vordefinierten zeitlichen Abständen und/oder in Abhängigkeit unterschiedlicher Randbedingungen wie unterschiedlicher Betriebs- und/oder Temperaturen, usw.).
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet u. a. den Vorteil, dass im Stand der Technik für die Linearisierung von Laserkennlinien eingesetzte Photonik-Strukturen entfallen können und somit besonders kostengünstige Photonik-Chips eingesetzt werden können.
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Ferner bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Linearisierung der Laserkennlinie direkt auf realen Lidarzielen (d. h., Objekten im Umfeld des Lidar-Sensors) durchgeführt wird, sodass beispielsweise auch parasitäre Effekte in einer Sende- und/oder Empfangsoptik und/oder in einem Sende- und/oder Empfangspfad des Lidar-Sensors und ein Einfluss einer Umgebung in Form einer Kanalantwort bei der Linearisierung berücksichtigt werden. Hierdurch wird eine besonders hohe Genauigkeit bei der Linearisierung der Laserkennlinie ermöglicht.
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Zudem kann es für die Linearisierung von Vorteil sein, wenn die Linearisierung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Zielentfernungen durchgeführt wird, da sich hierdurch unterschiedliche Überlagerungen zwischen dem frequenzmodulierten optischen Signal und den aus dem Umfeld reflektierten Anteilen des optischen Signals ergeben können, welche einen Einfluss auf eine Qualität eines Gesamtergebnisses des Verfahrens haben können.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Tatsache, dass es vollständig auf digitalen Daten ausgeführt werden kann, wodurch eine besonders hohe Flexibilität hinsichtlich anwendungsspezifischer Anpassungen gegeben ist, indem das Verfahren beispielsweise auf Basis eines leicht anpassbaren Computerprogramms implementiert wird, welches durch die Auswerteeinheit ausgeführt werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die zweite Information zusätzlich eine Information über eine Geschwindigkeit des Objektes, welche unabhängig von dem Lidar-Sensor, z. B. mittels des vorstehend beschriebenen, vom Lidar-Sensor abweichenden Sensors und/oder mittels eines weiteren vom Lidar-Sensor abweichenden Sensors ermittelt wird. Anschließend wird die Information über die Geschwindigkeit beim Ermitteln der Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information berücksichtigt. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass auch solche Objekte, die durch den Lidar-Sensor mittels des optischen Signals gemessen werden, für die Linearisierung der Laserkennlinie verwendet werden können, welche während der Messung mittels des optischen Signals eine den Doppler-Effekte bewirkende Relativbewegung zum Lidar-Sensor ausführen (z. B. Fahrzeuge im Umfeld des Lidar-Sensors). Da es aufgrund des Doppler-Effekts bei bewegten Objekten zu zusätzlichen Frequenzdifferenzen zwischen dem ersten Teil des optischen Signals und dem zweiten Teil des optischen Signals kommt, ist ein genaues Ermitteln von Nichtlinearitäten der Laserkennlinie bei bewegten Objekten entsprechend nicht gegeben. Indem durch die zweite Information zusätzlich zur Entfernung auch eine Information über eine Geschwindigkeit des betrachteten Objektes bereitgestellt wird, ist es somit möglich, die durch den Doppler-Effekt bewirkten Frequenzdifferenzen zu kompensieren, sodass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Basis bewegter Objekte zuverlässig und mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann.
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Vorteilhaft wird die zweite Information auf Basis eines Radar-Sensors und/oder eines TOF-Sensors („Time of Flight“-Sensor, z. B. ein weiterer Lidar-Sensor) und/oder eines Ultraschallsensors und/oder einer Kamera und/oder eines satellitengestützten Positionsbestimmungssystems in Verbindung mit einer Karte ermittelt. Eine solche Karte ist vorzugsweise eine hochauflösende Karte, auf deren Basis sich nach einer Verortung der Position des Lidar-Sensors innerhalb der Karte mittels Positionsinformationen, die durch das satellitengestützte Positionsbestimmungssystem (z. B. GPS) ermittelt wurden, das zu betrachtende (unbewegliche) Objekt identifizieren und hinsichtlich einer Entfernung vom Lidar-Sensor beurteilen lässt. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung der Karte lassen sich Positionsinformationen (unbeweglicher) Objekte durch Infrastrukturvorrichtungen wie Brücken, Schilder, Schilderbrücken, Ampeln, Beleuchtungseinrichtungen, usw. ermitteln, welche anschließend mit der Position des Lidar-Sensors abgeglichen werden können. Vorteilhaft werden die Positionsinformationen der Infrastrukturvorrichtung mittels einer Drahtloskommunikationsverbindung an den Lidar-Sensor und/oder die Auswerteeinheit und/oder ein übergeordnetes Umfelderfassungssystem übertragen (z. B. mittels einer Car2lnfrastracture-Kommunikation). Die Infrastrukturvorrichtung kann selbst das zu betrachtende Objekt sein und entsprechend eigene Positionsdaten übermitteln. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Infrastrukturvorrichtung auf Basis einer Sensorik Positionsinformationen von Objekten im Umfeld der Infrastrukturvorrichtung ermittelt und diese bereitstellt.
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Vorteilhaft repräsentiert die erste Information ein Frequenzdifferenzsignal (d. h., ein Schwebungssignal in Form eines Zeitbereichssignals), welches sich aus der Mischung des ersten Teils und des zweiten Teils des optischen Signals ergibt, während aus der zweiten Information eine Zielfrequenz abgeleitet wird, welche mit der Entfernung und/oder der Geschwindigkeit des Objektes bezüglich des Lidar-Sensors korrespondiert. Die Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information werden dementsprechend durch einen Abgleich des Frequenzdifferenzsignals mit der Zielfrequenz ermittelt. Die Zielfrequenz ergibt sich aus dem erwarteten Abstand und/oder der relativen Geschwindigkeit des Objektes, sowie der verwendeten Modulation.
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Alternativ oder zusätzlich werden die Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information auf Basis von Abweichungen von Phasenwerten ermittelt, die aus der ersten Information und der zweiten Information abgeleitet werden. Die Phaseninformationen lassen sich insbesondere auf Basis komplexwertiger Repräsentationen von Abtastwerten ableiten, die in der ersten Information und der zweiten Information enthalten sind.
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Besonders vorteilhaft werden nur solche Objekte im Umfeld des Lidar-Sensors für die Linearisierung der Laserkennlinie des Lidar-Sensors verwendet, die vordefinierte Kriterien erfüllen, wobei die Kriterien insbesondere ein maximal zulässiges Signal-Rausch-Verhältnis des empfangenen optischen Signals (des ersten Teils des optischen Signals) repräsentieren und/oder zulässige Entfernungen und/oder Positionen und/oder Geschwindigkeiten des Objektes bezüglich des Lidar-Sensors repräsentieren. Indem beispielsweise nur Geschwindigkeiten von Null zugelassen werden, lassen sich auf diese Weise sämtliche bewegten Objekte als Kandidaten für eine erfindungsgemäße Linearisierung der Laserkennlinie ausschließen. Ferner kann es beispielsweise vorteilhaft sein, nur solche Objekte zu berücksichtigen, deren Geschwindigkeit größer als Null aber kleiner als eine vordefinierte maximale Geschwindigkeit ist, welche vorzugsweise in Abhängigkeit eines Eindeutigkeitsbereichs festgelegt wird, in dem die Doppler-Verschiebung keinen negativen Einfluss auf die eindeutige Bestimmung der Entfernung auf Basis des zu mischenden ersten Teils und des zweiten Teils des optischen Signals hat. Durch das Berücksichtigen zulässiger Positionen ist es beispielsweise möglich, nur einen oder mehrere vordefinierte Raumwinkel aus dem gesamten Sichtfeld des Lidar-Sensors für die Auswahl eines für das Verfahren zu verwendenden Objektes zuzulassen. Ein solcher Raumwinkel kann beispielsweise ein Raumwinkel sein, in dem eine besonders hohe Messgenauigkeit des Lidar-Sensors vorliegt und/oder in dem eine erforderliche Sichtfeldüberlappung mit dem vom Lidar-Sensor abweichenden Sensor für das Ermitteln der zweiten Information sichergestellt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das für die Linearisierung der Laserkennlinie zu verwendende Objekt auf Basis von Messungen mittels des Lidar-Sensors oder einer vom Lidar-Sensor abweichenden Komponente initial festgelegt. Eine Identifizierung des Objektes in Messungen derjenigen Komponente, welche nicht die initiale Festlegung des für die Linearisierung der Laserkennlinie zu verwendenden Objektes trifft, erfolgt vorteilhaft anhand vordefinierter Ähnlichkeitskriterien zwischen Messungen des Lidar-Sensors und Messungen der vom Lidar-Sensor abweichenden Komponente. Als solche Ähnlichkeitskriterien lassen sich beispielsweise ein ähnlicher Raumwinkel, in dem sich die Objekte befinden und/oder eine ähnliche Geschwindigkeit und/oder eine ähnliche Entfernung und/oder eine ähnliche Größe und/oder eine ähnliche Bewegungsrichtung der Objekte, usw. heranziehen.
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Besonders vorteilhaft weist das optische Signal eine linear steigende Frequenzrampe und/oder eine linear fallende Frequenzrampe auf. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Linearisierung der Laserkennlinie auf Basis mehrerer Messungen mit jeweils unterschiedlichen Objektentfernungen, wobei die unterschiedlichen Objektentfernungen durch dasselbe Objekt erreicht werden können, wenn dieses eine Relativbewegung zum Lidar-Sensor aufweist und zu unterschiedlichen Zeitpunkten an unterschiedlichen Positionen gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich lassen sich die unterschiedlichen Objektentfernungen auf Basis einer Verwendung unterschiedlicher Objekte im Umfeld des Lidar-Sensors erreichen. Vorzugsweise werden die jeweiligen Ergebnisse der unterschiedlichen Durchläufe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit jeweils abweichenden Objektentfernungen zu einem Gesamtergebnis verrechnet, um dadurch von störenden Einflüssen besonders unbeeinflusste Korrekturwerte zu erhalten.
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Weiter bevorzugt werden die Korrekturwerte vor der Verwendung zur Korrektur der Laserkennlinie mit einem vordefinierten Gewichtungsfaktor skaliert, um auf Basis mehrfacher Durchläufe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein iteratives Annähern an eine bzw. ein Erreichen einer optimalen Korrektur der nichtlinearen Laserkennlinie zu erreichen, wodurch das Verfahren robuster gegenüber einzelnen verrauschten und/oder anderweitig gestörten Messungen wird. Als Kriterium zum Abbrechen der Iterationsdurchläufe lässt sich beispielsweise ein Erreichen einer vordefinierten maximalen Abweichung des Frequenzdifferenzsignals von der vordefinierten Zielfrequenz nutzen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, die Iterationen so lange durchzuführen, bis keine Verbesserungen hinsichtlich der Linearisierung mehr festzustellen sind, da nur beispielsweise nur noch minimale Änderungen bewirkt werden, die unterhalb einer Auflösung eines für die Messung verwendeten A/D-Wandlers liegen.
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Alternativ oder zusätzlich sind die Korrekturwerte durch eine Funktion definiert, die mittels einer Kurvenanpassung an die Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information angepasst ist. Eine solche Kurvenanpassung erfolgt beispielsweise mittels eines Polynom-Fitting-Verfahrens und/oder eines least-squares-Ansatzes, wodurch beispielsweise ungewünschte Sprünge und/oder ein ungewolltes Einschwingen aufgrund nicht kurvenangepasster Korrekturwerte reduziert oder vermieden wird. Weiter alternativ oder zusätzlich werden die Korrekturwerte unter Berücksichtigung einer maximalen und einer minimalen Frequenz des optischen Signals festgelegt, sodass durch die Korrektur der Laserkennlinie keine Beeinträchtigung (ggf. durch ein Abschneiden bestimmter Signalwerte) des optischen Signals bewirkt wird. Mit anderen Worten soll auf diese Weise sichergestellt werden, dass ein mittels einer lineariserten Laserkennlinie erzeugtes optisches Signal innerhalb des durch die Modulation verwendeten Frequenzbereichs mit uneingeschränkter Sendeamplitude gesendet werden kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lidar-Sensor mit einer Auswerteeinheit vorgeschlagen, wobei die Auswerteeinheit (z. B. auf Basis eines Computerprogramms) eingerichtet ist, eine erste Information repräsentierend Ergebnisse einer Vielzahl von Entfernungsmessungen eines Objektes im Umfeld des Lidar-Sensors bezüglich des Lidar-Sensors zu ermitteln, wobei die erste Information auf Basis eines frequenzmodulierten optischen Signals ermittelt wird, welches durch einen kohärenten Laser des Lidar-Sensors erzeugt wird, indem ein erster Teil des optischen Signals in das Umfeld ausgesendet wird und indem ein zweiter Teil des optischen Signals mit Anteilen des optischen Signals im Lidar-Sensor gemischt wird, welche durch das Objekt zum Lidar-Sensor reflektiert werden. Die Auswerteeinheit ist weiter eingerichtet, eine zweite Information repräsentierend eine Entfernung des Objektes bezüglich des Lidar-Sensors zu ermitteln, welche unabhängig von dem Lidar-Sensor ermittelt wird. Hierfür empfängt die Auswerteeinheit beispielsweise von einem von dem Lidar-Sensor abweichenden Sensor ein Signal, auf deren Basis die Entfernung zu dem Objekt unabhängig vom Lidar-Sensor ermittelbar ist. Ferner ist die Auswerteeinheit eingerichtet, Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information über den Verlauf des optischen Signals zu ermitteln, Korrekturwerte zu berechnen, welche zur Kompensation der ermittelten Abweichungen geeignet sind und die Laserkennlinie des Lidar-Sensors zu linearisieren, indem die Korrekturwerte zur Anpassung des optischen Signals verwendet werden. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Linearisierung einer Laserkennlinie eines Lidar-Sensors;
- 2 einen beispielhaften Signalverlauf eines Ansteuersignals für einen Laser des Lidar-Sensors;
- 3 einen beispielhaften Signalverlauf eines durch den Lidar-Sensor erzeugten Frequenzdifferenzsignals in Verbindung mit einer Zielfrequenz vor einer Korrektur der Laserkennlinie;
- 4 beispielhafte Korrekturfunktionen, die auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wurden;
- 5 einen beispielhaften Signalverlauf eines durch den Lidar-Sensor erzeugten Frequenzdifferenzsignals in Verbindung mit einer Zielfrequenz nach der Korrektur der Laserkennlinie mittels der Korrekturfunktionen; und
- 6 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors in Verbindung mit einem Radarsensor.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Linearisierung einer Laserkennlinie eines Lidar-Sensors.
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Im Schritt 100 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste Information repräsentierend Ergebnisse einer Vielzahl von Entfernungsmessungen eines Objektes im Umfeld des Lidar-Sensors bezüglich des Lidar-Sensors ermittelt, wobei die erste Information auf Basis eines frequenzmodulierten optischen Signals ermittelt wird, welches durch einen kohärenten Laser des Lidar-Sensors erzeugt wird, indem ein erster Teil des optischen Signals in das Umfeld ausgesendet wird und indem ein zweiter Teil des optischen Signals mit Anteilen des optischen Signals im Lidar-Sensor gemischt wird, welche durch das Objekt zum Lidar-Sensor reflektiert werden. Das optische Signal ist hier in Form einer zunächst linear ansteigenden Frequenzrampe ausgebildet, welche anschließend nahtlos in eine linear fallende Frequenzrampe übergeht Der Schritt 100 umfasst hierfür die nachfolgend beschriebenen Unterschritte 110 bis 160.
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Im Schritt 110 werden zunächst der erste Teil des optischen Signals und der zweite Teil des optischen Signals mittels eines oder mittels mehrer Photodetektoren des Lidar-Sensors empfangen, sodass ein erstes Messsignal, welches mit dem ersten Teil des optischen Signals korrespondiert und ein zweites Messsignal, welches mit dem zweiten Teil des optischen Signals korrespondiert, durch den wenigstens einen Photodetektor erzeugt werden.
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Im Schritt 120 findet anschließend eine A/D-Wandlung des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals statt, wobei eine Mischung der beiden Messsignale vor oder nach der A/D-Wandlung erfolgen kann.
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Im Schritt 130 wird das gemischte Messsignal und/oder die separat A/Dgewandelten Messsignale einer Tiefpassfilterung unterzogen, um unerwünschte Rauschanteile in den Messsignalen zu entfernen.
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Im Schritt 140 wird das gemischte Messsignal und/oder die separaten Messsignale als Zeitsignal in einer Speichereinheit abgelegt.
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Im Schritt 150 werden auf Basis des gemischten und/oder der separaten Messsignale Objekte im Umfeld des Lidar-Sensors und deren jeweilige Entfernungen ermittelt. Dieses Ermitteln erfolgt beispielsweise durch den Lidar-Sensor selbst und/oder durch eine zentrale Umfelderfassungskomponente.
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Im Schritt 160 wird ein für die Linearisierung der Laserkennlinie geeignetes Objekt im Umfeld des Lidar-Sensors ermittelt, wobei ein Objekt dann als geeignet anzusehen ist, wenn sich dieses innerhalb eines vordefinierten Raumwinkels eines Sichtfeldes des Lidar-Sensors und innerhalb eines vordefinierten Entfernungsbereichs bezüglich des Lidar-Sensors befindet.
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Im Schritt 200 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zweite Information repräsentierend eine Entfernung des Objektes bezüglich des Lidar-Sensors ermittelt, welche unabhängig von dem Lidar-Sensor mittels eines Radarsensor ermittelt wird, der in der Nähe des Lidar-Sensors angeordnet ist und dessen Anordnungsposition und Ausrichtung bezüglich des Lidar-Sensors bekannt ist. Der Schritt 200 umfasst hierfür die nachfolgend beschriebenen Unterschritte 210 bis 230.
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Im Schritt 210 werden zunächst Objekte im Umfeld es Radarsensor mittels des Radarsensors erfasst.
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Im Schritt 220 werden auf Basis von Messsignalen des Radarsensors Objekte und deren Entfernungen zum Radarsensor ermittelt. Zusätzlich werden die Geschwindigkeiten der Objekte erfasst. Dies erfolgt beispielsweise durch den Radarsensor selbst und/oder durch die Umfelderfassungskomponente.
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Im Schritt 230 wird das für die Linearisierung des Lidar-Sensors ermittelte Objekt in den auf Basis des Radarsensors ermittelten Objektinformationen identifiziert.
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Im Schritt 300 werden Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information über den zeitlichen Verlauf des optischen Signals ermittelt, wobei die erste Information ein Frequenzdifferenzsignal repräsentiert, welches sich aus der Mischung des ersten Teils und des zweiten Teils des optischen Signals ergibt, wobei aus der zweiten Information eine Zielfrequenz abgeleitet wird, welche mit der Entfernung des Objektes bezüglich des Lidar-Sensors korrespondiert (unter Berücksichtigung der Information über die Anordnungsposition und die Ausrichtung des Radarsensors bezüglich des Lidar-Sensors) und wobei die Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information durch einen Abgleich des Frequenzdifferenzsignals mit der Zielfrequenz ermittelt werden. Darüber hinaus wird die zum Objekt ermittelte Geschwindigkeit beim Ermitteln der Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information berücksichtigt.
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Im Schritt 400 werden anschließend Korrekturwerte berechnet, welche zur Kompensation der ermittelten Abweichungen geeignet sind, wobei die Korrekturwerte durch eine Funktion repräsentiert werden, die mittels einer Kurvenanpassung an die Abweichungen zwischen der ersten Information und der zweiten Information angepasst ist.
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Im Schritt 500 wird die Funktion, welche die Korrekturwerte repräsentiert, zur Linearisierung der Laserkennlinie des Lidar-Sensors und damit zur Anpassung des optischen Signals verwendet. Vorteilhaft erfolgt die Anpassung der Laserkennlinie iterativ, indem das Verfahren mehrfach ausgeführt wird und indem die ermittelten Korrekturwerte mittels eines Skalierungsfaktors verrechnet werden, welcher dafür sorgt, dass sich die Korrektur der Laserkennlinie erst mit der Zeit an eine optimale Linearisierung der Laserkennlinie annähert.
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2 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf eines Ansteuersignals 80 für einen Laser des Lidar-Sensors. Es sei darauf hingewiesen, dass jeweilige Skalierungen der horizontalen und vertikalen Achsen zwischen den 2 bis 5 nicht notwendigerweise übereinstimmen.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass der Laser mittels des Ansteuersignals 80 derart angesteuert wird, dass er auf dessen Basis ein optisches Signal erzeugt, welches sich aus einer ansteigenden Frequenzrampe und einer abfallenden Frequenzrampe zusammensetzt. Während das Ansteuersignal 80 jeweils einen linearen Anstieg und einen linearen Abfall der Frequenzrampe vorsieht, ergibt sich in dem durch den Lidar-Sensor tatsächlich ausgesendeten optischen Signal ein hiervon abweichender Verlauf, wenn die Laserkennlinie Nichtlinearitäten aufweist.
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3 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf eines durch den Lidar-Sensor erzeugten Frequenzdifferenzsignals 50 (auch „beat“-Signal genannt), welches die Laserkennlinie 10 repräsentiert, in Verbindung mit einer Zielfrequenz 60 vor einer Korrektur der Laserkennlinie 10. Aufgrund vorhandener Nichtlinearitäten der Laserkennlinie 10 weicht das Frequenzdifferenzsignal 50 bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich stark von der Zielfrequenz 60 ab, wobei die Zielfrequenz 60 mittels eines vom Lidar-Sensor abweichenden Sensors ermittelt wird, welcher beispielsweise eine RGB-Kamera ist.
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4 zeigt beispielhafte Korrekturfunktionen 30, 35 mit jeweiligen Amplituden A, die auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wurden. Eine erste Korrekturfunktion 30 ist für die Korrektur des ansteigenden Bereichs der Frequenzrampe des optischen Signals und eine zweite Korrekturfunktion 35 ist für die Korrektur des abfallenden Bereichs der Frequenzrampe des optischen Signals vorgesehen.
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5 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf eines durch den Lidar-Sensor erzeugten Frequenzdifferenzsignals 50 in Verbindung mit einer Zielfrequenz 60 nach der Korrektur der Laserkennlinie 10 mittels der Korrekturfunktionen 30, 35 aus 4. Im Ergebnis ist die Laserkennlinie 10 hier entsprechend weitgehend linearisiert.
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6 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors in Verbindung mit einem Radarsensor 40.
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Der Lidar-Sensor weist hier eine als ASIC ausgebildete Auswerteeinheit 70 auf, welche eingerichtet ist, das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Hierfür ist die Auswerteeinheit 70 informationstechnisch mit dem im Umfeld des Lidar-Sensors bezüglich des Lidar-Sensors unbeweglich angeordneten Radarsensor 40 verbunden, sodass ein durch den Lidar-Sensor mittels eines frequenzmodulierten optischen Signals 20 erfasstes Objekt 15 zusätzlich durch den Radarsensor 40 erfasst werden kann. Auf Basis jeweiliger durch den Lidar-Sensor und den Radarsensor ermittelter Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsinformationen lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend ausführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018116961 A1 [0006]
- DE 112019005104 T5 [0007]
